CS 图解教程408 考研

7.3 DMA 方式

DMA 方式的特点；DMA 控制器的组成与功能；DMA 的传送过程（预处理、数据传送、后处理）与三种传送方式（停止 CPU 访存、周期挪用、交替访存）；DMA 方式与中断方式的比较；通道控制方式与 I/O 处理机；各种 I/O 方式下 CPU 时间占用率的计算。

考查要求 ★★★ 重点掌握 DMA 的特点DMA 控制器的组成预处理/数据传送/后处理周期挪用DMA 与中断的区别通道与 I/O 处理机CPU 时间占用率

DMA 方式的特点

在中断方式下，每传送一个字（或字节）都要 CPU 执行一次中断服务程序，对磁盘、网卡这类高速、成批传送数据的设备来说开销太大。DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）方式在主存与外设之间开辟一条直接的数据通路，数据传送完全由硬件（DMA 控制器）控制，不经过 CPU，也不需要保护和恢复 CPU 的现场。

  • 主存与 CPU 的固定联系脱钩，主存既可以被 CPU 访问，也可以被外设直接访问；
  • 数据块传送时，主存地址的确定、传送字数的计数等都由硬件电路直接实现；
  • 主存中要开辟专用的缓冲区，及时供给和接收外设的数据；
  • 传送速度快，CPU 与外设并行工作，提高了系统效率；
  • 传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

DMA 控制器的组成

部件作用
主存地址计数器 AR存放要交换数据的主存地址，每传送一个字自动加 1
传送长度计数器 WC记录传送数据的长度（字数），每传送一个字减 1，计数到 0（溢出）时表示数据块传送完毕，自动发出中断请求
数据缓冲寄存器 DR暂存每次传送的数据
DMA 请求触发器设备准备好数据后使它置位，向控制/状态逻辑发出 DMA 请求
控制/状态逻辑指定传送方向、修改传送参数，协调 DMA 请求信号与 CPU 响应信号
中断机构数据块传送完毕后向 CPU 提出中断请求

DMA 控制器的主要功能：接受外设发出的 DMA 请求，并向 CPU 发出总线请求；CPU 响应后发出总线响应信号，DMA 控制器接管总线控制权；确定传送数据的主存地址及长度，并能自动修改；规定传送方向，发出读写控制信号，执行数据传送；向 CPU 报告 DMA 操作的结束。

DMA 的传送过程

DMA 的数据传送分为三个阶段：

  1. 预处理：由 CPU 执行几条 I/O 指令完成。测试设备状态，向 DMA 控制器写入主存起始地址、传送字数、传送方向等参数，启动设备。然后 CPU 继续执行原来的程序。
  2. 数据传送：设备准备好数据后向 DMA 控制器发出 DMA 请求，DMA 控制器再向 CPU 申请总线。获得总线后由 DMA 控制器控制数据在主存与外设之间传送。以数据块为单位传送时，这一循环也是由 DMA 控制器（硬件） 实现的，而不是由 CPU 执行程序实现的。
  3. 后处理：数据块传送完毕后，DMA 控制器向 CPU 发出中断请求，CPU 执行中断服务程序做结束处理：校验送入主存的数据是否正确、测试传送过程是否出错、决定是否继续用 DMA 传送其他数据块等。
动画演示DMA 传送过程：预处理 → 数据传送 → 后处理
系统总线（CPU 控制）CPU执行程序主存100010011002DMA 控制器（接口）AR 主存地址WC 字计数DR 数据缓冲中断机构控制 / 状态逻辑DMA 请求触发器外设（如磁盘）DREQDACK数据HRQ（总线请求）HLDA（总线响应）INTR（中断请求）
当前有效的信号 / 部件总线上的数据传送
1/12DMA 方式在主存与高速外设之间开辟一条直接的数据通路：数据传送由 DMA 控制器控制，不经过 CPU。下面传送一个 3 个字的数据块（外设 → 主存）

DMA 的传送方式

DMA 传送数据不经过 CPU，但当外设与 CPU 同时要访问主存时就会发生冲突。DMA 控制器与 CPU 通常采用以下三种方式分享主存：

停止 CPU 访存CPUCPUCPUDMADMADMADMADMADMACPUCPUCPUDMA 传送整块数据期间，CPU 一直不能访存周期挪用CPUCPUDMACPUCPUCPUDMACPUCPUDMACPUCPUDMA 每传送一个字挪用一个存储周期交替访存CPUDMACPUDMACPUDMACPUDMACPUDMACPUDMA每个 CPU 周期分成两半，CPU 和 DMA 轮流访存→ 时间（每格一个存储周期）
DMA 传送方式：谁在使用主存
  1. 停止 CPU 访存：DMA 控制器向 CPU 发出停止信号，CPU 脱离总线、停止访存，直到一整块数据传送结束才把总线交还给 CPU。控制简单，适合数据传输率很高的设备成组传送；但 DMA 访存期间 CPU 基本处于不工作状态，CPU 的效能没有充分发挥。
  2. 周期挪用（周期窃取）：外设每传送一个数据，就挪用一个（或几个）存储周期，传送完立即释放总线。若外设请求访存时 CPU 不在访存，二者不冲突；若 CPU 正在访存，要等当前存储周期结束后 CPU 才让出总线；若二者同时请求访存，I/O 访存的优先级高于 CPU，因为外设不立即访存就可能丢失数据。周期挪用既实现了 I/O 传送，又较好地发挥了主存与 CPU 的效率，是最常用的方式；但每挪用一个周期，DMA 接口都要申请、建立和归还总线控制权。适用于外设读写周期大于主存存取周期的情况。
  3. DMA 与 CPU 交替访存：适用于 CPU 的工作周期比主存存取周期长的情况，例如 CPU 工作周期为 1.2 μs、主存存取周期小于 0.6 μs，就可以把一个 CPU 周期分为 C1、C2 两半，C1 专供 DMA 访存，C2 专供 CPU 访存。这种方式不需要申请、建立和归还总线使用权，总线使用权由 C1、C2 分时控制；但硬件逻辑更复杂。

DMA 方式与中断方式的比较

中断方式DMA 方式
数据传送由程序控制（CPU 执行中断服务程序）由硬件控制（DMA 控制器）
请求的是CPU 的处理时间总线的使用权
响应时机一条指令执行结束后一个**总线周期（存储周期）**结束后，指令执行过程中也可以响应
是否中断现行程序是，要保护和恢复现场否，CPU 只是让出总线，不需要保护现场
中断请求的用途传送数据数据块传送结束后的后处理
优先级低于 DMA 请求高于中断请求
CPU 与外设的并行外设准备数据时并行，传送数据时 CPU 参与传送数据时 CPU 也可以并行工作（仅访存冲突时暂停）
适用场合所有设备，特别是低速设备；还能处理异常事件高速设备的成批数据传送

通道控制方式与 I/O 处理机

DMA 方式进一步发展，就是通道和 I/O 处理机方式，CPU 对 I/O 的干预更少。

通道是一个具有特殊功能的处理器，它有自己的指令（通道指令）和程序（通道程序），通过执行通道程序来控制数据的传送。与 DMA 控制器相比：DMA 控制器用专门设计的硬件逻辑控制数据传送，通常只能控制一台或少数几台同类设备；通道则通过执行通道程序进行控制，一个通道可以同时控制许多台同类或不同类的设备，独立处理 I/O 的能力更强，还能用指令灵活地改变传送的顺序。

通道完成一次数据传输的过程分为三步：

  1. 用户程序用访管指令进入操作系统的管理程序，由 CPU 通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道；
  2. 通道执行 CPU 为它组织的通道程序，完成指定的数据输入/输出工作，期间 CPU 可以执行其他程序；
  3. 通道程序结束后向 CPU 发出中断请求，CPU 响应后再次调用管理程序进行处理。

按数据传送方式，通道分为字节多路通道（多台低速设备以字节为单位交叉传送）、选择通道（一段时间内只为一台高速设备服务，以数据块为单位传送）和数组多路通道（多台高速设备以数据块为单位交叉传送）。

I/O 处理机（外围处理机）的结构更接近一般的处理机，甚至就是一台小型通用计算机。它不仅能完成通道的 I/O 控制，还能完成码制变换、格式处理、数据块的检错与纠错等操作，进一步减轻了 CPU 的负担。

计算 CPU 用于 I/O 的时间

三种方式下 CPU 用于 I/O 的时间占比都可以这样计算：

占比=每秒 CPU 介入的次数×每次介入的时钟周期数CPU 主频\text{占比} = \frac{\text{每秒 CPU 介入的次数} \times \text{每次介入的时钟周期数}}{\text{CPU 主频}}

区别在于 CPU 介入的频率：查询和中断方式每传送一个数据单位就介入一次，DMA 方式每传送一个数据块才介入一次。

计算器CPU 用于 I/O 的时间占比
方式每秒 CPU 介入次数每次开销（时钟）每秒占用时钟占 CPU 时间
程序查询125 K次10012.5 M
2.5%
程序中断125 K次10012.5 M
2.5%
DMA100 次50050 K
0.01%
  • 程序查询：为不丢失数据，每秒至少查询 125 K次（每次 4 B）
  • 程序中断：每传送 4 B 中断一次，每次 (18 + 2) × 5 = 100 个时钟
  • DMA：每传送 5000 B（一个数据块）CPU 只参与一次预处理和后处理
占比 = 每秒 CPU 介入的次数 × 每次的时钟周期数 ÷ CPU 主频。把传输率调到 5 MB/s 试试：中断方式的开销随传输率线性增长，DMA 方式只与数据块数有关。
例题：中断方式与 DMA 方式（2009 年真题）

某计算机的 CPU 主频为 500 MHz，CPI 为 5。假定某外设的数据传输率为 0.5 MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，以 32 位为传输单位，对应的中断服务程序包含 18 条指令，中断服务的其他开销相当于 2 条指令的执行时间。（1）在中断方式下，CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比是多少？（2）当该外设的数据传输率达到 5 MB/s 时，改用 DMA 方式传送数据。假定每次 DMA 传送块大小为 5000 B，且 DMA 预处理和后处理的总开销为 500 个时钟周期，则 CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比是多少？（假设 DMA 与 CPU 之间没有访存冲突）

查看解答

（1）每秒中断 0.5 MB / 4 B = 1.25 × 10⁵ 次；每次中断需 (18 + 2) × 5 = 100 个时钟周期；占比 = 1.25 × 10⁵ × 100 / (500 × 10⁶) = 2.5%。

（2）每秒 DMA 传送 5 MB / 5000 B = 1000 次；占比 = 1000 × 500 / (500 × 10⁶) = 0.1%。

在上面的计算器中输入这些参数即可验证。

即时练习

即时练习5 题
点击选项即可作答
  1. 1
    下列关于中断 I/O 方式和 DMA 方式比较的叙述中，错误的是（　）。
  2. 2
    下列关于 DMA 方式的叙述中，正确的是（　）。
    Ⅰ. DMA 传送前由设备驱动程序设置传送参数　Ⅱ. 数据传送前由 DMA 控制器请求总线使用权　Ⅲ. 数据传送由 DMA 控制器直接控制总线完成　Ⅳ. DMA 传送结束后的处理由中断服务程序完成
  3. 3
    在 DMA 传送方式中，「周期挪用」是指（　）。
  4. 4
    DMA 控制器与 CPU 同时请求访问主存时，通常（　）。
  5. 5
    下列关于 DMA 方式的叙述中，错误的是（　）。
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